基于数字工厂的汽车配件压铸信息化研究

徐小强，叶文博，徐 彬

(武汉理工大学 自动化学院，湖北 武汉 430070)

随着信息化社会的快速发展与数字工厂的落地，“工业4.0”与信息物理系统(以下简称CPS)的时代也拉开了序幕。近年来，国内外传统制造企业开始寻求数字化的改变，例如“美的”公司在生产线上投入使用数字双胞胎技术，实时模拟监控生产调度；“飞利浦”公司借助ERP等多种企业应用为自身定制一套IT执行系统[1]。信息化已经成为企业转型中最不可缺少的部分。目前，汽车压铸零配件行业的信息化研究已经引起国内外学者的重视，如ROSS等试图为压铸行业建立一个灵活的信息框架[2-3]。孙文峻企图利用PLC等工控机和特定算法为压铸车间制作实现一套完整的信息化智能化方案[4]。李杰等提出对工业信息物联的见解[5-8]。刘念等尝试了基于RFID的系统信息化设计[9]。

企业资源的信息化过程大同小异。物质的属性可分成虚拟和实体两面，将虚拟信息投放到数据平台中，利用平台数据库调用以高效、精准地形成决策，最终对工厂的生产管理和决策系统进行改革，对机器设备的生产活动进行精准预测。在压铸生产业，业内数字工厂涉及到数据库的搭建调用、压铸机等机器生产信息采集方式、数据分析计算与指标参数形成等方面。而鉴于汽车零配件压铸行业本身的特殊性，其设备工作环境相对恶劣，压铸机装置内高温环境、磁场扰动，对于节拍、应力等参数的收集都属于较大的干扰项，且压铸件产品特性与采集参数由于热形成的过程，无法通过实时生成识别码直接关联，具有不可避免的滞后性。因此，寻找其他路径来解决压铸生产中物联网的方式、数据的结构与处理、产品的实时跟踪是当前面临的难题。

1 压铸设备工作方式及参数特性

在汽车零配件压铸业中，一般选用卧式冷室压铸机为研究对象。传统压铸制造不再采用人工操作压铸机的方式，更多地使用机械臂、机器人来代替人工操作环节，减少人工操作的复杂性，降低安全隐患。在数字工厂革新中，压铸机、机器人、机械臂的工作状态被要求以数据的形式投放进企业平台中。

压铸车间的生产方式不同于其他的典型车间，压铸车间具有独特的生产工艺与操作流程，其热形成和局部真空环境不仅要求装置具有较强的耐热性，还需要良好的气密性，因此工作参数很难做到直接采集。要研究工艺过程参数，首先，必须了解到压铸车间的生产方式及其对参数收集的干扰程度。

某公司压铸工艺的生产流程分为核心环节和生产辅助环节，其中核心环节包括物料供应、铸前准备、压铸成型、质检入库，生产辅助环节包括通风、回炉料和新料的运输、设备维护等。其中，需要对压铸成型的过程采取数字采集，用该过程的数据反映产品生产的状态。某压铸车间工艺流程图如图1所示，在压铸成型的环节中，按照压铸机与智能机械操作顺序，可分为喷雾、合模、注液、压射、冷凝开模、取件等工作流程。

图1 某压铸车间工艺流程图

喷雾是将材料喷射在模具的表面形成保护层，为汽车压铸件形成后的脱落创造条件，避免发生铝合金与模具黏合过牢的现象。该环节由机器人执行，通过某公司自主研发的平台使机器人与压铸机这两种独立的装置进行通信，具体过程为：①在接收到压铸机的工作信号时，机器人喷涂动作开始，按照程序设定执行喷涂的动作，动作完成后，由机器人发送节点信号，压铸机进入合模环节。②压铸机发送节点信号，由机械臂接收信号，触发勺汤动作，将保存在保温炉中的液态铝液按固定量取出，浇入压室。③压铸机将在闭合的模具中用气泵抽出空气，给汤机将保温在670℃～680℃的铝液射入料筒，在密闭环境下保压成型。④待冷却之后，压铸机开模，成型的铝合金压铸件嵌于模具半边，当压铸机合模机构的位置参数到达一定值时，喷涂机器人的控制平台接收到事件触发信号，开始取件动作。以上过程构成一个系统的循环，参数的采集都在这个周期过程中完成。压铸机械的内部通讯方式如图2所示。

图2 压铸机械内部通讯方式

对于压铸机和机器人的运动而言，每个细节的参数收录均有机器制造商本身使用其公司研发的方式获取。例如某公司采用的是TOYO公司制造的卧式冷室压铸机，并配备一台控制终端，该终端是一个嵌入式系统，压铸机机体都是基于这个控制终端开发。压铸机的外部机箱内通过PLC搭建控制的芯片电路来操纵强电模块的通电和传感器的工作状态。一台压铸机中拥有多种传感器，如激光传感器、涡流传感器、热传感器、应力传感器等，并且由DA转换器生成PLC监控到的参数。这些传感器采集的数据会经过屏幕终端的CPU处理，并输出到压铸机控制显示屏中。根据生产管理，某公司现对于数据的采集要求已经达到63个，并将其作为一组生产参数。其中，压铸机机身有高速速度、空打位置、高速开始位置等38个参数；给汤机中有射出延迟时间等8个参数；喷雾机中有模具清洁2时间等11个参数和反映设备状态的6个参数。上述63个参数，种类繁多，能反映详细的功能信息和状态信息，能够通过这些参数还原现场生产的状态。压铸机设备的参数示例如表1所示，笔者选取了63个参数中的9个参数，分别于不同部位中测量获取：压铸机机身、给汤机、喷雾机及整体压铸设备工作状态显示。

表1 压铸机参数示例

压铸件产品的形成环境是非常态的，铝液在保温炉中始终维持在670℃左右的温度，合模之后的气泵抽气会在模具内形成局部真空环境，以确保压铸件无气泡孔或者不规则形状。高温、真空及模具可拆卸等限制条件会让传感器测量变得困难，压铸件产品生产在第一时间无法赋予产品独特射频标签(RFID)，导致压铸件产品的生产与数据生成无法进行同步跟踪，即63个参数并非产品自身特性，压铸机实时参数反映的只是设备状态而非产品状态。鉴于高热或冷凝环境机械材质的热胀冷缩、机械运动时实际磨损状况对应力的影响等现实问题，目前数字工厂智能制造领域中的专家系统在压铸车间的种种限制下很难达到。压铸件与生产参数之间存在非实时关联、特征模糊的问题。

2 制造执行系统(MES)和企业资源计划(ERP)在压铸车间的应用

压铸机工作会产生庞大的实时工作参数，这些参数由PLC控制的传感器与接口提取信息通过数模转换后经过PLC的通信，到达压铸机的显示屏幕上。这些工作参数包含了整个压铸成型环节的生产环境信息，从信息的角度去观察产品及其生产过程，其相当于多种参数组成的集合，因此对工作参数的研究是具有深远意义的。

然而这些参数被PLC中的传感器采集出来之后，由于其存储电路元器件结构所限，无法及时长期保存参数，需要将这些数据转移至另外的平台中去，因此需要有制造执行系统(MES)、企业资源计划(ERP)等平台的辅助。

MES称为制造执行系统，作为数字工厂项目中的一款功能性企业应用，能够用来跟踪生产进度、库存情况、工作进度和其他进出车间的操作管理相关的信息流。在压铸车间中的应用主要是对压铸设备参数的自动采集、录入、传输、处理数据，优化生产人员与压铸装置的人机交互。MES以数据库原理为基础，既能够实现信息的获取，又能够进行数据传输，同时也能够进行数据计算处理。MES系统的开发者具有独立的数据库管理系统平台，与Microsoft SQL server平台相近，具有在服务器中对数据用不同的SQL语言指令进行数据的分类、调用、查询、计算等功能，既可以在压铸车间的操作现场与操作人员实现页面交互，又可以与数据库系统进行信息交换。在压铸生产过程中，63个参数经采集、筛选和整理之后，能够反映设备的生产状态。

ERP称为企业资源计划，建立在信息技术的基础上，以系统化的管理思想，为企业决策层和员工提供决策运行手段的平台。ERP具有3个层次：管理思想、软件产品、管理系统。较MES系统不同的是，ERP系统并不直接参与工业现场的参数传输与计算，更多的是在战略指挥层面上将工厂大数据进行统计、分析和预测。ERP的意义在于以经营资源最优化为出发点，整合企业整体的业务管理，并最大限度地扩大企业经营效率。而作为一种数据库管理系统，数据的收录形式以人工报备为主，另外可以与MES平台以TCP/IP协议在服务器上进行数据交换、存储。从ERP指向MES的数据可以用于生成生产计划；从MES指向ERP的数据会存放入ERP的数据库，因为ERP的硬件环境更适合搭建庞大数据量的存储[10]。

MES系统与ERP系统都是具有强大存储和运算功能的管理系统，对数据库的运用则是最为重视。两者的关系和功能划分明确，各司其职。在工业中，如果ERP扮演的是统帅的角色，负责整个队伍的编织和总体任务的发放，那么MES系统扮演的则是指导员的角色，负责细化并分配给个体机器指定工作量且将其监控，同时还负责数据的实时运算，直接与第一现场交互，最后将现场信息汇总到ERP系统中。压铸车间信息物联模型如图3所示。

图3 压铸车间信息物联模型

ERP平台、MES平台及压铸设备三者可以通过不同的协议建立起信息传递，达到压铸设备物联网的效果。ERP平台与MES平台均建立在服务器上，因此两个平台之间是以TCP/IP协议来进行数据传输。在压铸现场，ERP与压铸设备并不建立任何的直接互动关系，压铸设备与MES平台可以做到信息传输。压铸设备在正常工作状态下运行时，每生产一个新的压铸件，就会产生一组由63个参数构成的数据组，这些数据组将在压铸机控制台屏幕上显示，因为压铸机控制台屏幕与压铸机、机器人本属于一个大的机械装置，数据可以直接传递。但参数传输到MES系统中则需要对压铸机控制台中的汇编程序或G语言程序进行编译。人工通过RS-232/RS-485物理接口使控制屏幕与PC通信，使PC可以读取控制屏幕中的语言程序，然后将各个参数的地址读取、编译、导出，使压铸装置有向外传输数据的指令，再使用MODBUS协议让压铸设备与MES系统相连，具备数据传输的路径。MES系统的服务器后台接收到数据之后，将部分数据直接处理、计算，这些信息直接反馈到生产现场的MES终端屏幕上；另一大部分的数据传输进入ERP服务器中进行ERP端的对应存储。

不同平台的信息调度主要的难点在于协议的使用，不同平台的硬件设备构建不一致，导致主芯片电路支持的通讯电路不一致，因此选好适当的通信协议是让数字信息在不同平台流动的关键。

3 QR码技术及信息框架搭建

QR码(quick response)是一种具有快速响应功能的二维条码，其编码范围较广，符合工业信息录入的要求且只要合理利用QR码特定的国际标准(ISO国际标准/IEC18004)规则，就能做到几乎不会发生重码现象。QR码识别在工厂使用中具有高效性与简便性的特点，在制作过程中具有便捷性和低成本的特点。但QR码本身也存在局限，即信息不可更改，成型后的QR码无法做到将产品的信息跟踪输入，因此需要以QR码为主体寻找另外的解决方式。

在现代应用中，QR码会存储一个网页的地址编码，扫描QR码之后将会识别到编码，通过网络进入到对应的服务器地址中。这样就达到了利用QR码来进行变动信息存储的目的。与这种“指针”的方案相同，在实现产品物联时，可以将独立的数字编号寄存在ERP系统的数据库中，以数字编号为标题建立该标题下的一组参数数据表格，包括了压铸设备内传感器检测到的工艺参数，同时记录系统时间、操作人员等人工信息，这些独立数字编号可以利用国际准则翻译成QR码，并制作在产品上。此时，刻印在压铸件中的二维码会具备“钥匙”的功能，将存放在数据库中的产品参数与压铸件产品关联[11]。通过QR码的使用，压铸件产品与压铸设备及后台的数据库三者之间可以形成关联。因此，实现产品物联的方案只需要压铸设备、压铸件、数据库三者之间拥有互联的结构框架，利用QR码、通信协议实现信息指向和传输的功能，采用PDA(个人数字助手)、终端控制器来实现对QR码的扫描和数据库里的数据交互。

另外，在数据库的数据分析方面可以采用权限管理的方案，将压铸生产中采集到的不同数据进行整合和处理，向不同对象展示。建立的信息结构框架模型如图4所示，从图4可以看出信息结构主要分为3个层段，从顶层到底层依次为信息存储层、数据通信层、人机交互层。①信息存储层主要由MES系统数据库和ERP系统数据库组成，内含生产相关参数、员工数据；②数据通信层是以机械协议作为设备物联的信息传输工具，由QR码作为产品物联的关联工具；③人机交互层中用PDA扫码，产品直接由压铸设备生产，现场终端来反映数据库中的相关参数监控。基本流程是由现场操作人员操作压铸设备，将铝液压铸形成对应型号的压铸产品，同时，一组生产数据会由设备中的传感器采集进入到机器终端中。利用MODBUS协议，将该组的生产数据实时传输进入数据库，在数据库中的数据经生产算法处理之后，被显示在生产现场的终端控制板上。将原本存在于数据库中的数字代码以QR码的形式打印，按照先进先出的原则对应扫描QR码，通过QR码将压铸件与生产参数进行关联。

4 物流管理方案模型

4.1 单压铸件物联模型

单压铸件物联将所有生产出的压铸件与独立的QR码关联，并与该QR码所指向的存在于ERP系统数据库中的参数报表相关联，实现“一个产品、一个QR码、一份参数表”的对应效果。在物联过程中，存在的一个难点是设备物联网与产品物联网将是两个平行的步骤，即两者没有存在直接指向的关系：一方面，设备物联网能够通过通信协议直接完成，将机器数据实时传输进入数据库中；另一方面，产品的物联网是通过QR码进行信息嵌入，由于压铸工艺中存在许多特殊环节，将QR码在产品形成的同时立刻被赋予的操作有较大难度，QR码往往需要在压铸件成型之后才能标记在压铸件产品中。理想状况下，由设备物联作为先决条件，QR码生成时已经包含了一组工件的生产参数，但压铸件生产与QR码内信息录入是两个独立的事件，需要人工操作将两者匹配，故在单压铸件的物联模型中，需要保证QR码与单压铸件的一一对应关系。

从物流的角度看，FIFO(先进先出)是保证关联不错序的原则。最先形成的产品需要先进行QR码嵌入工作，后续的产品按照顺序进入QR码的贴码步骤。建立的单件物流模型如图5所示，压铸设备生产出压铸件的同时将数据传入数据库，数据库进行分拣将该组数据写入对应的QR码编号的库中，用工控机翻译编号形成对应的QR条码传输到激光打标机或者打印机中，由人工进行激光打标或者打印QR码的贴码步骤。将QR码与产品关联之后，送入下一工艺流程。

图5 单件物联模型

4.2 批次管理方案模型

在汽车压铸中，当产品的价值不足以支持该型号的压铸零件拥有独自的物联信息和产品追溯功能时，需要有减小成本、缩减产品追溯规模的方案。在单压铸件物联的方案下进行批次管理的改进，可以达到优化物联物流的效果。批次管理是将多个压铸件归类为一个批次。单个压铸件生产时会产生一组生产数据，同一操作人员处理的多个压铸件归为一个批次，该批次被分配到同一筐物流箱中并对应上一个QR“母码”。一个批次的参数写入数据库中的“母码”编号表格中，此时一筐物流箱的批次件共享一个“母码”，可以采用印刷的形式将“母码”先贴在流水工艺卡上，而非直接打印在单个压铸件中。这样的模式既减小了FIFO原则的数量，将执行FIFO规则的单位由件转向批次，使人工出现的匹配出错率降低，又可以加快生产线的工作效率，减少物联操作的步骤。

在“母码”跟踪完批次处理的压铸与质检工艺之后，压铸件再分别进入单件的加工工艺。在进入单件加工工艺后，由于“母码”的局限性，无法将个体的其他信息进行加工，因此在压铸工艺应用完“母码”之后，在进入下一工艺之前，需要对“母码”进行“分离”，即“子码”的产生。子码是用母码对应的数字编号进行衍生，按照批次数量衍生出多个新的QR码。如一个母码的数据库编号为ik611320180324151，则子码编号为ik611320180324151-1至ik611320180324151-12，表示有12个压铸件为一个批次，子码会继承母码的数据，并在之后的工艺流程中加入各自的生产参数。批次管理的方案模型如图6所示。

图6 多件批次物联模型

5 压铸信息化效益分析

在传统模式下的汽车零配件压铸行业中，比较复杂的生产条件和生产件的信息很难直接提取，导致压铸工艺的物联难以实现，而一旦实现了压铸全联的工程，将会从各个方面得到效益。①压铸设备物联网之后，实时的生产参数会被摘录进入数据库，由这些生产参数进行数据结构和算法的分析，可能实现系统自动判定设备的正常运行状态以及产品的合格性；②工厂可以提供产品回溯的功能，压铸工艺中检测出的瑕疵品，通过QR码进行数据库中参数的调用，直接或者间接地还原压铸件在压铸工艺中的生产现象，通过参数指标浮动以及操作人员的分析发现瑕疵品出现不合格质量的原因；③实时监控压铸生产中以及其他的工艺环节由于物流等其他因素导致的生产效率下降，辅助控制生产效率等。而对于压铸信息化的实现，只需要在现场生产中加入QR码扫描环节，增加QR码印刷工艺流程，并安排需要技术人员对MES系统和ERP系统数据库进行维护和应用，其带来的效益将是十分可观的。

6 结论

汽车压铸行业的信息化，不仅能够为工厂的生产管理方式带来更加直观的衡量标准，还能为生产智能化提供必备的信息基础，同时对于不同行业中的生产智能化、信息化、精益化都具有较大的借鉴意义。笔者针对汽车压铸行业中独特的压铸工艺环节和特殊的压铸生产环境，提出了关于压铸设备物联网和压铸产品物联网的方案模型。①将ERP系统作为最顶层的决策统计层，使其赋予QR码序列号和数据存放单元以建立压铸工业中实时信息的录入系统；②将MES系统作为交互应用层，实时监控并传输沟通ERP系统与生产设备的生产量关系，计算生产实时参数，并将生产环境分别反映至操作现场和ERP系统数据库中；③QR码与数据库的运用，物联模型的提出，将产品与网络信息对应匹配起来，组装成一套较为完整的压铸行业信息流动、交互的方案。

在未来的工业中，人工智能将更多地被应用到生产现场，会涉及到企业系统的建造、生产的实时监控、精益化管理、特殊工业算法的搭建等。压铸信息化会是顺应数字工厂革新的一员，也会是未来工业智能决策的铺垫。